Metastasis
文献分享 JOJO 2023-10-18
"Metastasis, the growth of cancer cells in organs distant from the one in which they originated, is the ultimate and most lethal manifestation of cancer."
目录
一、研究团队
1. The Karuna Ganesh Lab
The Ganesh lab focuses on understanding the molecular mechanisms that underlie the emergence of regenerative plasticity during metastasis.
"Nat Cancer", "Nat Med"
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Research directions
- Elucidate how tumor invasion and dissemination induce phenotypic plasticity enabling the emergence of pro-metastatic regenerative traits.
- Dissect the role of stromal cells, including immune cells, in promoting and constraining MetSC plasticity.
- Define key signaling nodes that drive MetSC plasticity and develop therapeutic strategies for targeting such vulnerabilities.
- Collaborate with clinicians to understand mechanisms of therapy resistance in metastasis.
Recent findings have started to define the sources, phenotypic properties, hosting niches, and signaling pathways that support the survival, self-renewal, dormancy, and reactivation of cancer cells that initiate metastasis:
——metastatic stem cells(MetSC) / Cancer stem cell(CSC). [1]
2. 纪念斯隆-凯特琳癌症中心
纪念斯隆-凯特林癌症中心（Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, MSKCC）也称纽约肿瘤医院，成立于1884年，是一所集癌症的治疗和研究于一体的私立癌症中心。根据《美国新闻与世界报道（US News & World Report）》的报道，MSKCC在25余年来一直稳居美国最佳医院癌症专科排行榜前两名，同时也是全美知名儿童癌症治疗医院之一。
MSKCC致力研究人类肿瘤的发病机理，是手术、放疗和化疗研究与治疗的领军力量；也是最早开始免疫疗法相关研究的研究中心；还是首个专门致力于研究癌症的精神影响、癌症疼痛的缓解以及遗传咨询等服务的机构[2]。
二、简介(要点记录)
- 转移，即癌细胞在远离其起源部位的器官中生长。
- 转移包括一系列过程：
- 来自原发性肿瘤的细胞逐渐获得更强的侵袭力；
- 通过血液、淋巴管或通过邻近结构的直接浸润种植；
- 定植于远端器官，最终在远端器官中增殖。
- 绝大多数癌症患者死于转移性疾病，而不是原发性肿瘤。
- 肿瘤细胞具有不同表型。肿瘤细胞与其周围免疫细胞和基质细胞相互作用，创建“适宜”的肿瘤微环境，以支持癌细胞生长，并帮助癌细胞逃避免疫系统的监视，即免疫逃逸。
- 原发性肿瘤通常可以通过手术和放疗等局部疗法治愈，但是转移性癌症是一种影响多个器官的全身性疾病。它不仅可以通过直接定植器官并损害其功能，而且还可以通过改变分泌蛋白组构成及其代谢，最终导致患者死亡。
- 同一患者的原发性和转移性癌症中，全身疗法可能具有截然不同的结果。且转移性癌症对现有治疗方法耐受，临床上的转移性癌症，在很大程度上无法治愈。
放疗：放射治疗简称放疗，是通过放射线杀灭肿瘤细胞的一种手段，属于局部治疗方法。
化疗：化疗是化学药物治疗的简称，通过使用化学治疗药物杀灭癌细胞达到治疗目的。化疗是一种全身治疗方法，无论采用什么途径给药（口服、静脉和体腔给药等），化疗药物都会随着血液循环遍布全身的绝大部分器官和组织。与放疗相比，化疗的应用有局限性。患者身体情况太差或者年龄太大一般不能选择化疗者，有严重器官功能障碍者（如严重肝肾功能障碍等）也不能选择化疗。早期癌症（如原位癌和Ⅰ期癌症）已经成功手术切除的病例一般不需要化疗。
免疫治疗：肿瘤的免疫治疗就是利用患者自身免疫系统杀伤或抑制肿瘤细胞。与传统的治疗方式不同，它并不直接针对肿瘤，而是动员人体自身免疫系统参与攻击。不过，被激活的免疫细胞除了攻击癌细胞，也有可能攻击自身正常细胞，产生暂时的自身免疫疾病，比如皮疹、肠炎、腹泻、肝损害等。(原发性耐药和继发性耐药)
细胞免疫疗法：把患者体内免疫细胞拿到体外进行改造，让这些细胞具备对癌细胞更有效、更精准的免疫能力，改造后的免疫细胞回输到患者体内后，它们会定向消灭癌细胞。
免疫检查点抑制剂：免疫细胞会产生抑制自身作用的蛋白小分子。肿瘤细胞利用这种机制，抑制免疫细胞，从人体免疫系统中逃脱存活下来。免疫检查点抑制剂类药物，可解除这种抑制作用，让免疫细胞重新激活工作，消灭癌细胞。靶向治疗：靶向治疗是在细胞分子水平上针对已经明确的致癌位点（该位点可以是肿瘤细胞内部的一个蛋白分子，也可以是一个基因片段）来设计相应的治疗药物，药物进入体内会特异地选择致癌位点来相结合发生作用，使肿瘤细胞特异性死亡，而不会波及肿瘤周围的正常组织细胞。
同一种肿瘤患者不一定可以采用同一种靶向药，采用同一种靶向药治疗的患者的获益可能也不一样。能不能用靶向药、适用哪一种靶向药，大部分需要根据基因检测或免疫组化检测的结果来匹配相应的靶向药。[3]
- 通过下一代测序技术 (Next-generation sequencing, NGS)，研究者已经积累了大量的表征疾病特异性表达模式和肿瘤微环境的肿瘤基因组数据[4]。对循环肿瘤DNA(ctDNA)和循环肿瘤细胞(CTC)[5]进行测序，以追踪疾病进展和对治疗的反应模式，并阐明了原发性和转移性肿瘤的的异质性和克隆性。
- 这些努力使新的生物标志物和药物靶点得到了前所未有的发展，有助于我们对转移细胞如何劫持宿主环境以确保其生存的理解。
三、转移的多个阶段
- 转移可以分为三个可以在时间上重叠的阶段:传播、休眠和定植
- Dormant tumor cells are characterized by cell cycle arrest in G0/G1 phase as well as a low metabolism, and are refractive to common chemotherapy, giving rise to metastasis. Despite these features, the cells retain their ability to proliferate when conditions improve[6].
- Circulating tumor cells (CTCs): Tumor cells leave the primary tumor and enter the circulation. Once there, they are called circulating tumor cells[7].
- Disseminated tumor cells (DTCs): A fraction of CTCs are capable of entering distant sites and persisting as disseminated tumor cells[7:1].
- 癌细胞经历一系列步骤侵袭组织、在转运中存活和定植器官，统称为转移级联。主要包括三个阶段：
- 侵袭阶段：原位肿瘤细胞通过上皮细胞-间充质转化过程（EMT）增加自身侵袭性，侵袭至周围组织并迁徙至血管或淋巴管附近，穿出血管进入循环系统，成为循环肿瘤细胞（CTCs）；
上皮-间质转化( epithelial-mesenchymal transition，EMT )，上皮细胞失去极性和细胞间黏附，迁移并侵入间质生成组织。EMT能够促进肿瘤细胞的迁移、侵袭和转移播散。
血液扩散被认为是转移扩散到远处器官的主要形式。
- 循环阶段：血小板直接黏附于CTCs表面，形成“细胞微栓”（Micro-thrombi）的结构，该结构能够减少免疫系统的识别和清除；
- 定植阶段：CTCs定植于远端器官的“前转移灶”（Pre-metastatic niche），其是指在原位肿瘤组织分泌的细胞因子或者外泌体的作用下形成的一种有利于肿瘤细胞定植的带有免疫抑制特征的炎性环境。
- Metathelial-initiating cells (MICs)：大多数离开原发肿瘤的癌细胞无法在系统免疫防御下生存并被清除。在转移的隐匿阶段存活并保留肿瘤再生能力的癌细胞被称为转移起始细胞。[8]
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在许多癌症中，手术切除原发肿瘤后的一段时间持续数月至数年，没有疾病的临床证据，但最终伴随着隐匿性转移灶的侵袭性生长。在原发肿瘤切除前播散的MICs可以保持潜伏状态，在休眠状态和增殖状态之间动态波动，直到条件允许这些细胞逃避免疫系统的清除，开始爆发性增长。
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MICs在远端器官中爆发性增长，并具有器官特异性的基质选择功能。临床上明显的转移灶可以通过经典的治疗方法（手术）消除，但耐药性和复发后患无穷，这是由于MIC状态的可塑性和持久性驱动的。
四、癌症转移的原理
- 经历转移级联的瘤细胞，具有很多特征。其中一些特征，源自于原发性肿瘤，是激活致癌基因和抑癌基因突变的结果，从而使转移瘤细胞具有不受控制的生存和增殖、自我更新、迁移和侵袭的特点。
- 转移特异性的出现
- 原发性癌细胞群中中选择特异的克隆细胞;
- 原发性肿瘤细胞具备非遗传动态适应性，以适应不同转移阶段的需求
1. 原理一：遗传选择
Genetic selection means the use of a condition (e.g., growth medium, temperature, or other) under which cells or organisms possessing the selected genotype can grow, and those not possessing the selected genotype cannot.[9]
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肿瘤进化模式
- 转移过程中，有两种广泛认可的肿瘤进化模式：即线性模式和平行进化模式。
- 在线性模式中，转移细胞从原发性肿瘤产生，较晚传播，图(a)；
- 在平行进化模式中，癌细胞传播较早，转移细胞与原发性肿瘤细胞共享很少的突变，并与原发性肿瘤细胞分开进化。不同的播种模式：多克隆图(d)、单克隆图(c)、转移性再播种图(b)，进一步增加了转移性病灶的细胞异质性。
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(对)肿瘤微环境的空间影响(TME)
- TME 包含多种免疫细胞和基质细胞，它们与癌细胞相互作用，并共同进化，TME可以同时具有促肿瘤和抗肿瘤作用。
- 肿瘤细胞经历了应激选择的局部变化，亚克隆遗传在转移瘤中，可能促进局部微环境生态位的建立。（乳腺癌患者、小鼠）
亚克隆转移：恶性肿瘤是从一个发生恶性转化的细胞单克隆增殖而来，但在生长过程中，经过许多代分裂繁殖产生的子细胞，可出现不同的基因改变或其他大分子的改变，其生长速度、侵袭能力、对生长信号的反应，对抗癌药物的敏感性等方面都可以有差异。这时，这一肿瘤细胞群体不再是由完全一样的肿瘤细胞组成的，而是具有异质性的肿瘤细胞群体，是具有各自特性的"亚克隆"。
- 空间组学和谱系追踪技术，有望进一步揭示 TME 对 MIC 选择的影响，以及 MIC 选择 TME 成分的具体过程，以对MIC生存的机制深入理解。
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拷贝数变异
- 大规模基因组研究表明，成对的转移性和原发性肿瘤表现出相似的体细胞突变，它们极少具有转移特异性体细胞突变。新的体细胞突变通常与治疗耐药性有关。
- 然而，与原发性肿瘤相比，在某些肿瘤的转移病灶中，可见拷贝数扩增和染色体异常。如：Myc基因发生拷贝数变异，募集更多肿瘤相关巨噬细胞（TAM），促进转移，从而导致更大规模的血管侵袭。
体细胞突变、拷贝数变异和染色体变异是遗传学中三种不同类型的变异，它们可以相互交叉影响。
- 体细胞突变：
- 定义：在生物体的体细胞（非生殖细胞）中发生的基因变异。
- 影响范围：只影响个体的特定细胞群，不会传递给后代。
- 拷贝数变异：
- 定义：指基因组中某一特定片段的拷贝数量与正常情况相比发生了变异，包括基因的复制、缺失或多次复制。
- 影响范围：可能影响个体的特定特质或疾病易感性。
- 染色体变异：
- 定义：指整条染色体或染色体的一部分发生结构或数量上的变异。
- 影响范围：通常会影响整个个体的健康和生活。
2. 原理二：癌细胞可塑性
- 表型可塑性，即对转移级联的动态非遗传适应，并对TME变化做出反应的能力。通过对临床样本进行单细胞分析以及研究复杂的动物和患者来源的肿瘤模型，揭示了晚期癌症中的肿瘤内和肿瘤间转录异质性，这些异质性，不能用遗传性基因组改变来解释。
- MICs状态的变化：进入动态休眠、转分化等动态调整，以适应代谢、氧化还原和免疫应激源。
在体内平衡过程中，组织特异性干细胞不断产生传递放大的祖细胞和成熟分化的细胞。当组织损伤时，分化的上皮细胞去分化重新进入组织，形成类似胎儿的、损伤相关的瞬时祖细胞状态，这些祖细胞可以分化为组织干细胞，然后分化为不同的细胞，恢复上皮完整性。
- 对转移性小鼠模型的研究表明，癌细胞在从原发性肿瘤，发展为MICs和器官特异性转移的过程中，经历了多种表型转变。小鼠肺腺癌模型中的体内谱系追踪和单细胞转录组学分析显示，具有高可塑性的原发性肿瘤亚克隆群落，在匹配的转移灶中高度富集，表明原发部位的可塑性，是转移的先决条件。（变化后转移，而不是转移后变化）
- 相同的分子和通路，在原发性肿瘤增殖与肿瘤传播和休眠期间，可能具有不同的作用。因此，将癌症相关基因指定为致癌基因或肿瘤抑制基因，在动态转移可塑性的研究背景下，经常出现矛盾结果。
- 可塑性的形成：
- 基因表达的应激反应调控：癌细胞可以通过调节表观遗传、转录和转录后改变，来动态切换其表型状态，以响应来自不断进化的器官特异性微环境的信号。
- 代谢适应：癌细胞在循环和接种过程中，将营养物质的代谢从合成代谢状态改变为分解代谢状态，然后再回到合成代谢状态，以支持转移生长。
3. 原理三：转移过程中发育和再生方案的共同选择
- 许多癌症通过激活功能相关基因的共调节模块，来同时获得转移所需的表型。此类共调节模块，通常是产生癌症的组织发育或再生所需的基因网络，癌症特有的新基因程序，也可能对肿瘤转移做出重要贡献。
- 具有多向分化潜能的高可塑性细胞状态，被确定为转移的前兆，如：上皮-间质转化(EMT),EMT过程发生多种动态变化，包括细胞极性的丧失和上皮细胞粘附分子的下调，从而导致迁移和侵入邻近组织的能力增强。
4. 原理四：免疫逃逸
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肿瘤微环境的变化
- T细胞和NK细胞的耗竭，会增加实验模型中的转移
- 由于缺乏肿瘤抗原、抗原呈递缺陷、T细胞活化缺陷和T细胞排斥，一些肿瘤类型对免疫检查点抑制剂（ICI）没有反应。
- ICI 似乎对原发性肿瘤和微转移，比对已发生的显著转移更有效。
- TME可以同时具有促瘤和抑瘤作用，但随着时间的推移，其作用越来越趋向于促瘤。
- 在某些肿瘤中，通过免疫抑制作用，Treg细胞使机体对肿瘤细胞产生抗原耐受，会使肿瘤细胞发生免疫逃逸，即逃脱机体的免疫杀伤作用，因此也被视为一种帮助肿瘤幸存并促进其生长的免疫细胞。
- 肿瘤微环境NK细胞丢失表面膜突起，无法识别肿瘤细胞，失去了抗肿瘤功能
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淋巴结转移
- 淋巴结不是转移过程中的被动分期站，而是诱导全身免疫抑制的关键部位。
淋巴结定植，可以通过诱导肿瘤特异性 T 调节细胞、增加巨噬细胞上的 PD-L1 表达，以及将树突细胞从迁移亚型转变为驻留亚型，从而改变全身免疫反应。
- 淋巴结转移，可以通过诱导肿瘤特异性免疫耐受，来促进远处器官的转移。
注射了淋巴结肿瘤供体白细胞的肿瘤移植小鼠，更容易发生肺转移。
5. 原理五：癌细胞休眠
- 不同肿瘤类型中扩散性肿瘤细胞(DTCs)的休眠和再觉醒，具有异质性。
- DTCs具有可逆地控制生长停滞和休眠的调节程序，使肿瘤细胞进入静止状态，这在功能上与免疫逃避相结合。
- 细胞可塑性，是维持休眠的一个关键特征。
- 为了启动显性的转移生长，休眠的癌细胞必须重新进入细胞周期，或逃避免疫监视。一些直接刺激源，例如手术、射线、烟雾等，可以触发休眠DTCs的重新激活和生长。并且，随着宿主细胞的衰老，DTCs也会从休眠中苏醒。
6. 原理六：转移的器官特异性适应
- DTC几乎可以扩散到所有器官。然而，不同的癌症类型对远端转移的器官具有偏好性，这种现象称为转移性器官趋向性。
- 转移的趋向性，由癌细胞到达器官的方式和定植的器官特异性微环境所决定。“种子”与“土壤”。
- 初始转移灶可以促进癌细胞重新编程，促进肿瘤与其新宿主的共同进化和转移性TME的形成，从而导致更高的临床发病率和死亡率。
- 在同一解剖位置，不同肿瘤（原发性和转移性脑肿瘤） TME由不同细胞组成，因此针对TME的一刀切治疗方法具有局限性。
7. 原理七：影响癌细胞的系统宏观环境
- 转移性癌症是一种影响所有器官系统的全身性疾病。因此，影响身体营养、代谢、神经激素和炎症状态的全身性因素，均可以影响转移的所有三个阶段。
- 炎症状态，包括肥胖和衰老，可以促进瘤细胞转移，而运动和健康饮食，可能会降低转移风险。
- 肠道微生物群通过微生物代谢物的直接细胞效应，或通过 TME 的重新编程，从而促进肿瘤的转移。
- 昼夜节律可以控制肿瘤传播的时间，抗肿瘤免疫通过树突状细胞，有节奏地将瘤细胞运输到引流淋巴结。
8. 原理八：治疗耐受
- 转移选择的癌细胞具有动态重新编程能力，能够适应不同压力、逃避免疫监视等，以促进瘤细胞对相关治疗的抵抗，并刺激肿瘤的再生。
- 治疗对转移性癌细胞施加进一步的选择压力，推动选择携带耐药突变的肿瘤亚克隆产生，并诱导炎症信号的产生。
- 新兴的转移性疾病治疗策略：靶向微转移中的休眠癌细胞、靶向作用于寡转移，靶向作用晚期转移（描绘可塑性终点状态；抑制可塑性的分子介质）。
五、新观点
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原发肿瘤和转移的发生并不是遵从严格的时间顺序
- 来自导管原位癌和胰腺上皮内瘤变的癌前细胞，可以在没有临床诊断为癌症的患者的血液、骨髓和远处器官中发现。
- 这项发现对于临床上的重要意义在于：首先，靶向肿瘤起始所需的致癌驱动突变，可能不足以靶向消灭转移细胞；其次，赋予细胞转移能力的介质，应该是肿瘤进展的早期靶点，这适用于高危人群的癌症预防。
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理解和对抗转移的新兴方法：
- 以单细胞和空间分辨率，来分析表观遗传标记、蛋白质和代谢物。
- 线粒体突变分析和基于液体活检的实时克隆追踪，可以描述肿瘤进化过程中亚克隆出现的顺序。
- 人工智能有望改变临床试验设计，以加速生物标志物的发现和药物开发。